靜止物的無形運動－冉‧提勿尼

觀看完整課程： http://ed.ted.com/lessons/the-invisible-motion-of-still-objects-ran-tivony

周遭有許多看似完全靜止不動的無生命物體。但是如果深入觀察它們的原子結構，就會看見一個不斷波動的世界：伸展、收縮、彈跳、和抖動。持續飄移的原子無所不在。冉‧提勿尼介紹分子運動的原因和方式，探索這個永遠動著的世界。

課程：冉‧提勿尼，動畫： Zedem 媒體。

周遭許多無生命的物體
看似完全靜止。

但如果深入觀察它們的原子結構，

就會看見一個不斷波動的世界。

伸展、收縮、彈跳、抖動

和飄移的原子無所不在。

看似亂紛紛的動，其實並不亂。

幾乎所有物質的原子
都被鍵合在一起，

根據一套原則而移動。

例如，分子的原子
由共價鍵結合在一起。

分子有三種移動的基本方式：

旋轉、平移，和振動。

旋轉和平移乃是分子在空間中移動，

其原子間的距離保持不變。

另一方面，振動改變了原子的間距，

實際上也改變了分子的形狀。

任何分子的不同移動方式
都可以被算出來，

總數對應於它的自由度；

在機械學裡，自由度指的是

為要了解整個系統
所需考慮的變數數目。

三維空間由 X、Y 和 Z 軸所定義。

平移讓分子向其中的任何方向移動。

自由度是三。

也可以繞其中一軸旋轉，

自由度加三；

除非它是個線性分子，
例如二氧化碳，

它其中的一種，只是
分子依著自身的軸線旋轉，

因它的原子位置不變，
所以不計為旋轉。

振動則有點複雜。

取一簡單的分子，例如氫，

兩個原子間的共價鍵，
長短不斷地變化，

彷彿由彈簧連結著原子。

長度的變化極小，
短於十億分之一公尺。

分子的原子數和鍵數越多，
振動的方式也就越多。

例如，水分子有三個原子：

一氧、二氫，和二鍵，

使得它有三種振動模式：

對稱伸縮，

非對稱伸縮，

和屈折。

複雜的分子有更花俏的振動模式，

像晃動、

搖擺

和扭轉。

如果知道分子的原子數，
即可算出它振動模式的總和。

從總自由度開始，

也就是三乘以分子中的原子數；

這是因為每個原子可以向
三個不同的方向移動；

其中有三個對應著平移，

所有的原子均向同一方向移動；

另有三個對應旋轉，
若是線性分子則對應兩個；

剩下的 3N-6，
或者線性分子的 3N-5，

就是振動。

這一切因何而動呢？

分子因自週遭吸收了能量而動，

主要的能量形式
是熱能或電磁輻射能。

當能量被轉移至分子，

分子就以更快的速度
振動、旋轉，或平移。

加快的運動速度
提升了分子和原子的動能，

我們定義為溫度升高或熱能增加。

這是使用微波爐加熱食物的現象。

微波爐射出微波輻射，由分子吸收，

尤其是由水分子吸收。

它們四處移動，速度越來越快，

互相碰撞，提高食物的溫度和熱能。

溫室效應是另一個例子。

一些太陽輻射擊中地球表面，

被反射回大氣中；

溫室氣體，如水蒸氣和二氧化碳，

吸收輻射能，速度加快。

這些更熱、更快速移動的分子

向每個方向散射紅外輻射線，

包括射回地球，使地球變暖了。

這一切分子運動會停止嗎？

你或許認為，在絕對零度，
能達到的最低溫，分子可能就不動了。

沒有人曾降低至絕對零度，

但即使辦得到，

基於量子力學原理，
分子仍然會動，

被稱為零點能。

換句話說，自宇宙初始，
萬事萬物已經在動，

並且還會在我們身後長久持續地動。